Faskompensering och reaktiv effektstyrning

I våra elnät är de främsta förbrukarna av reaktiv effekt lysrör, asynkronmotorer och transformatorer [26]. Ett reaktivt effektbehov finns även i friledningar. Kablar bidrar å andra sidan, p.g.a. sin kapacitans, till att producera reaktiv effekt.

Exempel på reaktivt effektbehov hos några vanliga förbrukningsobjekt listas i Tabell 6 nedan.

Tabell 6 - Reaktivt effektbehov hos vanliga förbrukningsobjekt [37]

Förbrukningsobjekt Förbrukning av reaktiv effekt

Transformator Ca 0,05 kvar/kVA

Asynkronmotor Ca 0,5-0,9 kvar/kVA

Överföringsledningar Ca 20-50 kvar/km

Faskompensering handlar om att påverka den reaktiva delen i ekv. (5) vilket kan göras genom att antingen korrigera överföringens induktiva komponent och/eller att korrigera produktions-/konsumtions-/överföringskällornas reaktiva effektbehov. För att minska ett överuttag av reaktiv effekt kan kondensatorer antingen serie- eller parallellkopplas med belastningen. Den vanliga innebörden av begreppet faskompensering är parallellkopplade reaktorer och kondensatorer, dock förklaras även det närbesläktade kompenseringsverktyget seriekondensatorn nedan.

För seriekondensatorn gäller följande ekv. (24) [26].

 

∆U = Spänningsändring mellan två punkter U₂ = Spänning i belastningspunkten

R = Resistansen fram till belastningspunkten P₂ = Aktiva effekten i belastningspunkten Q₂ = Reaktiva effekten i belastningspunkten X = Reaktansen fram till belastningspunkten X_c = Seriekondensatorns reaktans

Seriekondensatorns spänningshöjande effekt är i första hand beroende på existerande reaktiva effektflöden och följer hela tiden variationer i dessa reaktiva effektflöden. Om det inte finns något betydande reaktivt effektbehov i nätet gör seriekondensatorn liten nytta [26]. Seriekondensatorer är lämpliga för transmissions- och subtransmissionsnät [38].

För shuntkondensatorn gäller följande ekv. (25) [26].

2

Q_c = Shuntkondensatorns reaktiva effekt

Shuntkondensatorns spänningshöjande effekt är i första hand beroende på ledningens reaktans och dess reaktiva effektproduktion är fixerad och följer inte några reaktiva effektflöden. Om det inte finns någon induktiv reaktans (som t.ex. i en kabel) gör shuntkondensatorn föga nytta [26].

Shuntkondensatorn har förutom inverkan på spänningen även positiv inverkan på aktiva effektförlusterna enligt ekv. (26) nedan [26]:

2

För att minska överproduktion av reaktiv effekt kan reaktorer installeras som konsumerar reaktiv effekt.

2.7.1.1 Finreglering av reaktiv effekt

Det finns olika helhetslösningar att reglera reaktiv effekt på. Den mest ekonomiska [39]

lösningen är att stegvist och mekaniskt koppla in kondensatorer/reaktorer beroende på behovet. Detta riskerar dock att ge något trubbiga spänningsförändringar och används därför där spänningsförändringar av lägre frekvens är aktuella.

I takt med att kraftelektroniken utvecklats har möjligheten att mer exakt styra reaktiv effekt ökat. Historiskt har denna mer precisa styrning gjorts av synkronmaskiner som både konsumerar och producerar reaktiv effekt samtidigt som de utgör en kraftkälla. Alternativt kan synkronmaskinerna vara rena reaktiva effektstyrningskällor ute i nätet, s.k.

synkronkompensatorer. Synkronkompensatorer är dyrare än kondensatorbatterier per kvar som i sin tur är dyrare än att reglera reaktiv effekt i synkrongeneratorn [37]. Det sistnämnda är något som blivit möjligt även hos vindkraftverk på senare tid i takt med att frekvensomriktare används i turbinkonstruktionen.

Rena synkronkompensatoranläggningar ersätts allt mer av SVC/STATCOM-anläggningar p.g.a. de sistnämndas överlägsna egenskaper när det gäller styrning, snabbhet och elnätsstöd i händelse av fel.

2.7.1.2 SVC och STATCOM

En SVC är en kombination av kondensator- och reaktorelement som styrs av tyristorer och endast reglerar reaktiv effekt. Den är betydligt mer dynamisk än steginkopplade lösningar.

Tyristorerna arbetar med så pass hög frekvens att de kan reducera flicker som en funktion av reaktiv effekt. Tyristorerna är nätkommuterade vilket begränsar responsförmågan till 100 Hz i 50 Hz nät vilket innebär att inte allt flicker kan tas bort [40]. Små SVC: er har ett generellt högre pris än stora SVC:er per kvar [52].

Ett alternativ till SVC är STATCOM. En STATCOM arbetar med högre switchfrekvens än en SVC då transistorer används istället för tyristorer⁷. STATCOM har förmåga att bättre och snabbare reducera flicker samt har även till viss del förmåga att kompensera övertoner.

Den har även förmåga att mildra flicker som funktion av aktiv effekt givet att någon form av energilager finns tillgängligt. Förmågan att injicera reaktiv effekt är inte lika kraftigt beroende på nätspänningen som t.ex. hos en SVC, nätspänningsberoendet är linjärt snarare

7 En speciell tyristorlösning med beteckningen IGCT har på senare tid börjat användas i vissa STATCOM-produkter. Enligt [2] kombinerar de fördelarna med IGBT och GTO.

än kvadratiskt [2]. Andra fördelar med STATCOM är mindre areabehov till följd av att reaktorer och kondensatorer inte behövs utan styrningen sker elektroniskt via styrning av ström- och spänningsförhållandet. En STATCOM kan potentiellt vara billigare än en SVC när ett reaktivt effektstyrningsbehov under 30 Mvar föreligger och blir potentiellt dubbelt så dyr när behovet ligger mellan 50-100 Mvar [52]. Priset för en 10 Mvar STATCOM ligger mellan 50-250 USD/kvar [52]. Det tillkommer enligt [55] även en kostnad på ca 0,5 Mkr för att möjliggöra anslutning och uppställning av STATCOM i stationen.

Både SVC och STATCOM kan tjänstgöra som en sorts stötdämpare för att förhindra kollapser i nätet som en följd av t.ex. åsknedslag eller överbelastning. Detta görs genom att injicera reaktiv effekt när spänningen sjunker kraftigt. För samma märkeffekt har STATCOM förmåga att under längre tid och med snabbare responstid injicera denna reaktiva effekt i nätet [6].

2.7.1.3 Regleringsstrategier

Det finns två vanliga strategier att reglera reaktiv effekt på, [6] kallar dem för fasvinkel- och spänningsreglering. Fasvinkelreglering är den vanligaste strategin och innebär att reaktiva effekten styrs mot en önskad effektfaktor, vanligtvis en effektfaktor på 1 vid anslutnings- eller sammankopplingspunkten.

Den andra metoden kallas för spänningsregleringsmetoden och innebär att reaktiv effekt används för att kontrollera spänningen så att den hålls inom ett intervall vid sammankopplingspunkten. Här kan den reaktiva effekten komma från t.ex. enskilda vindkraftverk eller från en STATCOM/SVC.

Enligt [6] finns följande tre spänningsregleringsmetoder

1. Reglering av reaktiv effekt med produktionskällans omriktare 2. Reglering av reaktiv effekt med SVC eller STATCOM 3. Koordinerad reglering m.h.a. metoderna ovan i kombination

Punkt 1 innebär lokal reglering i anslutningspunkten. Är anslutningspunkten ett internt nät för t.ex. vindkraften måste det även finnas en mätpunkt i sammankopplingspunkten så att vindkraftverket vet om spänningen är god även där. Denna metod kräver således kommunikation och koordinering.

Punkt 3 har potential att reducera totalkostnaden eftersom SVC/STATCOM-enheten kan dimensioneras ner ifall den delar på styrningsbördan ihop med vindkraftverken (som även kan vara av enklare DFIG-typ).

För mindre produktionskällor, som t.ex. enskilda vindkraftverk, bör reglering av reaktiv effekt göras med produktionskällans omriktare. För större anläggningar kan det bli nödvändigt med en SVC/STATCOM. [6]

2.7.1.4 Placering av regleringsutrustning

Faskompenseringsutrustning bör placeras så nära förbrukningsobjektet som möjligt, s.k.

direktkompensering, för att erhålla största möjliga spänningsförändring och förlustminimering. En annan fördel med direktkompensering är att befintliga skyddsanordningar hos förbrukningsobjektet kan utnyttjas i installationen och därmed minska kostnaden. De objekt som är mest lämpliga att kompensera direkt är objekt med hög utnyttjandegrad. Nackdelen med att kompensera förbrukningsobjekten direkt är att kostnaden samt underhållet kan öka för installationen [37,41], delvis p.g.a. att fler mindre kompenseringsenheter behövs, vilket åtminstone för kondensatorer blir dyrare [37].

Central placering av faskompenseringsutrustningen rekommenderas ifall syftet är att minska reaktiva effektuttaget mot överliggande nät för att minska reaktiva effekttariffen.

Om flera vindkraftverk är placerade i grupp bör lokal kompensering kompletteras med gruppkompensering [27]. Gruppkompenseringsutrustning placeras lämpligen i transformatorstationen som gruppen ansluter till. I transformatorstationen placeras enligt [57] SVC/STACOM oftast på sekundär-/lågspänningssidan om en transformator p.g.a. att kostnaden ökar ju högre spänningsnivån är.